分布式光伏電動汽車充電站的設(shè)計與研究

張波?劉姝?白勁松?秦宇波?許譯文

摘 要 隨著新能源的汽車普及與推廣，新能源汽車充電完全依靠電網(wǎng)，會造成電網(wǎng)的沖擊。本文通過對分布式電動汽車充電站的具體實例進(jìn)行分析，采取可再生能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估的方法，證實了分布式可以取締部分電網(wǎng)，同時分布式太陽能資源不僅可以解決電網(wǎng)壓力還可以獲得相應(yīng)的收益。

關(guān)鍵詞 分散式供電樁;光伏發(fā)電系統(tǒng);技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估

引言

新能源汽車又被稱為清潔能源汽車，以清潔能源取代化石能源。有著對環(huán)境污染小，資源浪費少等特點。

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在城市建設(shè)中，新能源汽車未被廣泛應(yīng)用的主要原因是新能源汽車的充電樁、換電站等基礎(chǔ)設(shè)施較少。

充電樁所需電流大功耗大，若完全依賴于電網(wǎng)勢必會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。若要大規(guī)模建設(shè)依賴電網(wǎng)的充電站，則需要對電網(wǎng)的進(jìn)行擴(kuò)建，這使得依賴電網(wǎng)的充電站的建設(shè)舉步維艱。

新能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)最急需解決的是充電樁依賴于電網(wǎng)問題。因此提出了分布式光伏電動汽車充電站的解決方案。

分布式光伏電動充電站可以利用建筑物樓頂閑置空間搭建光伏組件，其發(fā)出的電能除供給新能源汽車使用外，還可以作為建筑物的應(yīng)急能源。

1分布式汽車充電站設(shè)計

1.1 分布式光伏電動汽車充電原理

分布式光伏電動汽車充電站由光伏組件（PV array）、逆變器（inverter）、充電樁（Charging pile）、控制器（charge controller）、蓄電池（storage battery）、中央控制單元（Central control unit）、線纜（PV cable）及支架（PV stents）等組成。

①發(fā)電系統(tǒng)中的光伏陣列發(fā)出直流電，通過DC-DC中的控制單元有效的跟蹤光伏組件的最大功率，然后經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，再通過充電樁為新能源汽車供能或直接存儲在儲能系統(tǒng)中的蓄電池中;②夜間或陰雨天時，光伏陣列不能為充電樁提供電能時，儲能系統(tǒng)將為新能源汽車提供電能;③當(dāng)儲能系統(tǒng)的能量也不足以供給的情況下，直接采取電網(wǎng)作為后備。

1.2 沈陽市太陽能資源

本次分布式光伏電動汽車充電站的設(shè)計地點為沈陽，它處于北緯N41°45′東經(jīng)E123°35′。

因為電動汽車冬季耗電量大，如果按最佳傾角設(shè)計，可能會造成夏季剩余大量電量，因此用全年均衡冬半年最大的原則設(shè)計本系統(tǒng)。最好做到夏半年和冬半年在方陣面上的日輻射量相等，即H1=H2[1]。根據(jù)PVSYST軟件模擬確定本系統(tǒng)的傾角為54°。

據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀蟆⒌乩碣Y料及PVSYST軟件模擬的每個月份的太陽輻照量HT（KWh/m2），計算出光伏方陣面上的日平均峰值日照小時數(shù)3.93（h）。

1.3 分布式充電站系統(tǒng)設(shè)計

本節(jié)設(shè)計以一臺充電樁為例進(jìn)行系統(tǒng)配備的分析。這樣設(shè)計的優(yōu)點：①可以有效評估本電站;②可以隨著電動汽車的廣泛應(yīng)用隨時增加充電樁的數(shù)量;③便于整個系統(tǒng)的故障檢修。

每臺充電樁需要配備32塊型號為GP-270P-60的光伏組件、一臺型號為SG8K-D的逆變器、32塊型號為6-CNFJ-40的蓄電池、8臺型號為MPPT1806的控制器及相關(guān)設(shè)備，共需42540元。

沈陽商業(yè)城安裝125臺充電樁，則建筑屋頂需安裝4000塊270W的光伏組件，總裝機(jī)容量為1.08MW，年平均發(fā)電量為1160kwh。本電站如果連續(xù)平穩(wěn)運行25年，那么可以產(chǎn)生2904萬kwh的電能。相當(dāng)于節(jié)約了10482噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于減少了873噸二氧化硫的排放，相當(dāng)于減少了29030噸二氧化碳的排放，相當(dāng)于減少79200噸粉塵的排放。由此可見分布式光伏電動汽車充電站的環(huán)保效益非常可觀。

2分布式光伏電動汽車充電站經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)《沈陽市加快新能源汽車推廣促進(jìn)產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)實施方案》可知，實際設(shè)備投資額（不含土地費用和土建投資）一次性給予20%的財政補(bǔ)貼。下文的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析以一臺充電樁為例，這樣既可以有效表達(dá)經(jīng)濟(jì)效益還可以清楚介紹每臺充電樁對環(huán)境產(chǎn)生的良好效益。

2.1 收益分析

根據(jù)PVSYST軟件可得出54°傾斜面的月輻照度，因此可計算出年平均峰值日照小時數(shù)為3.93h。光伏組件的年理論發(fā)電量為12400KWh。分布式光伏電動汽車充電站的各部分損耗為84%[2]、光伏組件的平均衰減率為89%和交流充電樁的效率為88%。

經(jīng)過計算分布式光伏電動汽車充電站的平均年理論發(fā)電量為9294KWh。

設(shè)定電價9時～15時為0.8元/kwh，其余時間1.0元/kwh。計算經(jīng)濟(jì)方面按照9時～15時用電90%，其余時間用電10%，平均每日發(fā)電量完全消耗且不考慮利用電網(wǎng)供電收取的額外費用。

經(jīng)過計算分布式光伏電動汽車充電站的平均年收益為6707元。

2.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)評估

根據(jù)可再生能源的技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的有關(guān)評價原理，結(jié)合不同地點光伏組件的性能特點并考慮到各種因素的影響[3]。項目以凈現(xiàn)值和動態(tài)投資回收期兩個指標(biāo)作為對分布式光伏電動汽車充電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價和分析的標(biāo)準(zhǔn)。

每臺充電樁需要的總投資為42540元，因此在財政補(bǔ)貼后總投資為34032元。

（1）壽命凈現(xiàn)值

由于太陽能為非商品能源，其價值不可以直接確定，只能用能源代替的方法計算。按分布式光伏電動汽車充電站產(chǎn)能出售的標(biāo)準(zhǔn)來計算分布式光伏電動汽車充電站系統(tǒng)的年收益。分布式光伏電動汽車的充電站的凈現(xiàn)值可按下式計算。

式中C0是系統(tǒng)的初始投資為34032元;B是分布式光伏電動汽車充電站的平均年收益為6707 元;C是系統(tǒng)的運行成本為50元;n是系統(tǒng)的使用壽命為25年;nb是系統(tǒng)的蓄電池和充電樁的更換周期（蓄電池和充電樁的更換周期分別為5年、7年;更換成本分別為12480元、3200元）;i為社會折現(xiàn)率為10%。將數(shù)據(jù)代入上式中得

由此可見對于本分布式光伏電動汽車充電站系統(tǒng)34032元的初始投資來說，本系統(tǒng)在使用壽命期間內(nèi)不僅可以接受可以把投資成本收回，還可以收益2322.25元。因此本系統(tǒng)的投資完全。

（2）回收期分析

采用動態(tài)投資回收期原理，設(shè)投資回收期為ndp，年社會年利率為i，B為系統(tǒng)的年收益，C為每年的運行維護(hù)費。由于回收期的定義，分布式光伏電動汽車充電站的初始投資C0與年凈收益（B-C）的關(guān)系為：

已知C0=34032元，（B-C）=6657元，i=10%。由上述公式計算出分布式光伏電動汽車充電站的動態(tài)回收期為：

也可以利用靜態(tài)回收期原理計算分布式光伏電動汽車充電站的回收期

nsp：

由此可見在國家日益重視的電動汽車的前提下，分布式光伏電動汽車充電站的建立投資方案可行。若以這個系統(tǒng)運行25年，可發(fā)電23.2萬kwh的電能，相當(dāng)于77噸煤產(chǎn)生的電能。這個計算僅僅是以一臺充電樁為例，要是整個沈陽普及這種充電樁將可以減少更多的燃煤。

3結(jié)束語

本分布式光伏電動汽車充電站，為了鼓勵新能源汽車的使用者在發(fā)電高峰期為新能源汽車補(bǔ)給電能，以較低的價格出售電能，這樣減少了蓄電池的儲能成本。當(dāng)設(shè)計儲能為全天發(fā)電量的25%時，充電電價在9～15時為0.8元/kwh，其余時間1.0元/kwh的情況下，利用經(jīng)濟(jì)技術(shù)評估的方法計算得到相關(guān)數(shù)據(jù)證實了本系統(tǒng)完全具備可行性。

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作者簡介

張波（1998-），男，遼寧葫蘆島人，在讀學(xué)生，學(xué)歷：本科，研究方向：新能源光伏發(fā)電設(shè)計。

劉姝（1973-），女，遼寧凌源人;學(xué)歷：博士學(xué)位，職稱：副教授/高級工程師，研究方向：分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)。